Didysis Lietuvos kunigaikšis Aleksandras Jogailaitis 1497 m. dovanojo kunigo Jono Groto pradėtai statyti bažnyčiai žemes ir leido kurti miestą. 1498 m. J.Grotas paskirtas pirmuoju Pasvalio klebonu. 1580 m. dvaro valdos skirtos Vilniaus kapitulai. Bažnyčia turėjo jurisdiką miestelyje ir 2 kaimus. Vilniaus kapitula bažnyčią perstatė. Jai 1775 m. priklausė Karkliškių ir Šlamų kaimai. Nuo 1773 m. veikė parapinė mokykla.

1776 m. sudegus medinei, 1779-1787 m. pastatyta nauja mūrinė bažnyčia. Ji buvo stačiakampio plano (34x17 m), be bokštų. 1851 m. bažnyčią konsekravo vyskupas Motiejus Valančius. Klebono prelato Vlado Dambrausko rūpesčiu 1885-1887 m. bažnyčia padidinta, pristatyti bokštai. Buvusi bažnyčia paversta vidurine nava su presbiterija. 1902 m. įsigyta naujų Kryžiaus kelio stočių, paveikslų. 1904 m. klebono J. Banevičiaus iniciatyva išmūryta prieglauda. 1906 m. tarp bažnyčios ir klebonijos nutiestas tiltas per Lėvenį.

1907 m. pastatyta mūrinė varpinė (joje 3 varpai), įsteigta parapijos bibliotekėlė. 1911-1914 m. veikė Lietuvių katalikų blaivybės draugijos skyrius. Jam valdžia 1911 m. neleido įsteigti bibliotekos-skaityklos. 1926-1929 m. ištiesinta, paaukštinta šventoriaus tvora. Po 1933 m. gaisro bažnyčia suremontuota. 1933 m. įsteigta altarija. 1954-1976 m. Pasvalyje kaip altarista gyveno ir čia mirė iš Vladimiro kalėjimo grįžęs visuomenės veikėjas, filosofijos daktaras kunigas Juozapas Čepėnas (1880-1976). Nuo 1981 m. klebonavo Alfonsas Jančys (1921-1992; palaidotas šventoriuje).

Bažnyčia turi baroko ir istoristinių bruožų, stačiakampio plano (40x30 m), su 5 priestatais, dvibokštė. Vidus 3 navų, atskirtų pilioriais. Yra 3 altoriai. Šventoriaus tvora tinkuoto mūro.